2025년 10월19일 북한군 병사 1명이 강원도 중부전선 군사분계선(MDL)넘어 귀순했다. 우리 군은 당일 오전 7시경 상황을 접한 뒤 열상감시장비(TOD) 등으로 추적감시한 뒤 유도 절차를 거쳐 안전을 확보했다.

국방부는 저출산으로 군 장병을 충분하게 확보하기 어려운 상황에서 폐쇄회로 TV(CCTV), TOD, 각종 센서 등에 투자를 늘리고 있다. 세계에서 가장 엄격하게 관리되고 있는 휴전선이지만 귀순이 빈발할 정도로 헛점이 없는 것은 아니다.

과학기술의 도입을 통해 군사 역량을 강화하고 있는 상황에서 '감시장비용 비냉각형 적외선 영상센서 기술'을 소개하고자 한다. 

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 차세대반도체연구소광전소재연구센터 최원준 책임연구원(wjchoi@kist.re.kr)이 수행한 '감시장비용 비냉각형 적외선 영상센서 기술'이다.

◇ 연구 목표... 상온에서 동작하는 감시장비용 중적외선 영상센서 개발

영하 150도(℃)에서 동작하는 감시장비용 중적외선 영상센서의 동작을 상온에서 구현함으로써 스터링 냉각기가 없는 중적외선 감시장비의 제작 및 야전에서의 운용효율을 향상시키는 기술을 개발했다. 

연구 목표는 중적외선 대역(3~5㎛) 검출이 가능한 InAsSb 반도체 기판 성장기술을 확보하고 이를 이용하여 상온에서 동작하는 감시장비용 중적외선 영상센서를 개발하는 것이다.

적진 감시, 해상 감시, 철책선 감시를 위한 열상감시장비(TOD)는 중적외선 파장대역(3~5㎛)을 검지하는 반도체를 사용하고 높은 검지도를 위해 스터링 냉각기를 사용해 150℃ 이하에서 동작시키고 있는 실정이다.

기계적 펌프 방식의 스터링 냉각기는 사용시간의 증가에 따라 기계적인 고장의 빈도가 매우 잦으며 교체 비용 또한 매우 비싸 야전에서 운용 효율이 좋지 않은 것이 현실이다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 냉각이 필요없는 상온동작 중적외선 센서 개발이 필수적이다. 이를 위해서 고품위 반도체 기판성장 및 열상소자 제작기술의 확보가 필요한 실정이다.

◇ 연구내용 및 결과... 상용화된 하마마츠(Hamamatsu)사의 InAsSb 소자 대비 3배의 민감도 확보

MBE 방법을 이용해 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판상에 InAsSb 성장법을 개발하고 단위소자를 제작해 측정한 결과 상온에서 동작하는 중적외선 적외선 검출기 개발에 성공했다.

제작된 소자는 상용화된 하마마츠(Hamamatsu)사의 InAsSb 소자 대비 3배의 민감도를 확보했다

▲ 상온 동작 열상카메라 개발 개념도 [출처=한국과학기술연구원]

▲ 동작온도에 따른 응답도 [출처=한국과학기술연구원]

◇ 차세대반도체연구소... 고성능 신경 모사 칩 등 미래 반도체 핵심 기술 개발 선도

차세대반도체연구소는 고성능 신경 모사 칩, 뇌과학 기반의 인공 신경망, 대규모 양자 컴퓨팅 및 암호통신, 스핀트로닉스, 초고속 광전소자 기술을 통해 미래의 반도체 핵심 기술을 선도 개발하고자 한다.

우선 스핀융합연구단은 전자가 가지고 있는 전하의 특성뿐만 아니라 양자역학적인 스핀 물리현상을 동시에 이용하는 스핀트로닉스 소자 연구를 통해 기존 전자소자 기술의 물리적 한계를 극복하고자 한다.

스핀트로닉스 소자는 스핀 고유 특성인 비휘발성(non-volatility) 뿐만 아니라 초고속, 초저전력 등의 특성을 갖고 있어 차세대 반도체 소자로 주목 받고 있다.

스핀융합연구단은 스핀 정보저장소자 기술, 스핀 정보처리소자 기술, 스핀 통신소자 기술 연구를 통해 신개념의 스핀소자를 개발하고자 합니다.

둘째, 양자정보연구단은 양자정보 처리 기술의 근본적 질문들에 답하는 양자이론 및 기초 실험 연구와 이를 이용한 양자기술 응용 연구를 진행하고 있다.

다양한 양자 물리계 중 광자와 고체 점결함 큐비트를 이용한 연구에 집중하고 있다. 기초 분야에서는 오류정정 양자컴퓨팅, 양자시뮬레이팅, 양자 네트워크 이론 및 실험 연구 분야에서 의미 있는 성과들을 보여주고 있다.

응용 기술 분야에서는 양자암호 네트워크 시스템, 상온 동작 양자컴퓨터 시스템을 개발해 양자 산업 창출에 기여하고 있다.

최근에는 Integrated quantum photonics 기술에 주목해 세계 최고 수준의 국내 반도체 공정 역량을 바탕으로 세계적인 경쟁력을 갖는 양자 소자 개발을 추진하고 있다.

셋째, 광전소재연구단은 사물인터넷(IoT), 빅데이터의 처리를 위한 exaflops(10E18) 수준의 초고속 연산 속도 구현에는 광전융합소자 적용이 필요해 설립했다.

이를 위해 초고속 데이터 처리 핵심 요소기술인 광 로직 게이트, 광검출소자, 가변 필터를 개발하고 있다.

고품위 화합물 박막성장, 웨이퍼 본딩 등의 기술을 이용하여 화합물 반도체 소자를 실리콘 등 다른 기판 상에서 구현해 기존의 반도체 소자들의 성능 한계를 극복할 수 있는 플랫폼 기술 확보를 목표로 하고 있다.

또한 양자우물(quantum well), 양자점(quantum dot) 등을 이용한 중적외선, 원적외선 영역의 센서 소자도 개발하고 있다. 최종적으로 광자 제어 소재 및 부품을 응용하여 고도화된 양자기술에 응용하는 것을 목표로 하고 있다.

넷째, 인공뇌융합연구단은 기존 폰 노이만 방식 컴퓨팅 기술의 성능 한계 및 막대한 소비 에너지 문제를 해결하기 위해 인간 두뇌에서의 정보 처리 방식을 모사하는 연구를 수행하고 있다.

이를 위해 △뉴런 및 시냅스 모사 소자/네트워크 △두뇌 정보 처리 모사 대규모 연산 코어 설계 및 개발 △인공지능과 결합된 감각 센서 소자 개발 연구 등을 수행하고 있다. 2018년 국내 최초로 자가학습이 가능한 SNN 기반 Neo2C chip을 개발했다.

신경모사 기술은 신약 개발, 기상 예측 등과 같은 고성능 컴퓨터의 수요 분야 뿐만 아니라 신경계 장애인 보철구 개발, 로봇 및 뇌과학 분야의 중요한 발견을 통해 인류에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

- 계속 -